СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СПЕКЛ-СТРУКТУРИРОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКИЙ ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКЛ-СТИМУЛЯТОР Российский патент 2003 года по МПК G02B27/00 A61N5/67 

Заявляемая группа изобретений относится к лазерной оптике, в частности, к области оптики лазерных осветителей, используемых в спекл-фотографии и спекл-интерферометрии. Преимущественная область практического применения изобретений - полупроводниковые лазерные офтальмологические спекл-стимуляторы.

В числе технических показателей, которыми характеризуются лазерные осветители, одним из важнейших является равномерность распределения освещенности в пятне засветки, поскольку распределение интенсивности излучения в плоскости поперечного сечения лазерного луча отличается существенной неравномерностью - интенсивность излучения максимальна в центре поперечного сечения луча и снижается к его краям [1]. Особенно актуальна задача получения равномерного распределения освещенности в пятне засветки, создаваемом лазерным осветителем, который используется в качестве офтальмологического спекл-стимулятора-прибора, предназначенного для лечения и профилактики зрительных нарушений и снятия зрительной усталости [2].

Известны способы формирования лазерного излучения, направленные на обеспечение равномерного распределения освещенности в пятне засветки, в основе которых лежит преобразование исходной индикатрисы излучения лазера, выполняемое с помощью внешних по отношению к лазеру оптических элементов. В качестве таких элементов могут использоваться разнообразные по сложности оптические системы, включающие наборы линз, диафрагм, призм и т.п. В зависимости от состава преобразующей оптической системы исходное лазерное излучение подвергают операциям преломления, амплитудной или фазовой модуляции его составляющих и т.п. [1, 3-8].

Известен также способ формирования спекл-стуктурированного лазерного излучения, реализованный в офтальмологическом спекл-стимуляторе [9]. В упомянутом спекл-стимуляторе для обеспечения необходимой равномерности распределения интенсивности излучения поток лазерного излучения ограничивают диафрагмой. Тем самым, в дальнейшем преобразуют и полезно используют только незначительную часть излученной лазером световой энергии. В результате значительная часть световой энергии лазера бесполезно теряется, что требует применения достаточно мощных и дорогих лазеров. От указанного недостатка свободен известный лазерный прожектор [5], который эффективно использует практически всю световую энергию лазера. Однако реализованный в нем способ формирования лазерного излучения не обеспечивает образования спекл-структур, что оказывается необходимым для указанной выше области применения.

Наиболее близким по назначению и достигаемому результату к заявляемой группе изобретений является способ, реализованный в офтальмологическом спекл-стимуляторе [9], который выбран в качестве прототипа.

Способ-прототип заключается в том, что сначала излученный лазерным источником световой поток ограничивают, пропуская его через материальную диафрагму и "вырезая" из него часть излучения с относительно равномерным распределением интенсивности. Затем "вырезанный" диафрагмой пучок подвергают объемному рассеянию в толще молочного стекла, после чего собирают рассеянное излучение на экране, образованном линзой Френеля и матированной поверхностью светофильтра, который расположен вплотную к линзе Френеля. В результате на экране спекл-стимулятора, реализующего способ-прототип, формируется спекл-структурированное равномерно освещенное пятно засветки.

Недостатком способа-прототипа является неэффективное использование световой энергии лазера, что требует в приборах, реализующих этот известный способ, применения весьма мощных и, следовательно, дорогостоящих лазеров.

Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является обеспечение высокой экономичности процесса формирования спекл-структурированного лазерного излучения с равномерным распределением его интенсивности в пятне засветки.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что излучение лазера сначала диффузно рассеивают, а затем канализируют путем диффузного отражения от поверхности, охватывающей излучение вдоль его распространения.

В отличие от способа-прототипа в заявляемом изобретении используют весь излученный поток, а не ограниченный диафрагмой, процедуру рассеяния осуществляют не в объеме тела рассеяния, а пропуская излучение через оптически тонкий диффузно рассеивающий элемент. Диффузно рассеивающий элемент, выполненный, например, в виде оптически прозрачного стекла с матированной поверхностью, т. е. с двумерным распределением рассеивающих микронеоднородностей, при пропускании через него лазерного излучения позволяет в большой степени сохранить когерентность излучения, что обеспечивает условия для получения контрастной интерференционной картины и, следовательно, спекл-структуры. Формирование направленного спекл-структурированного потока путем диффузного отражения рассеянного луча от поверхности, охватывающей его вдоль направления распространения, обеспечивает увеличение равномерности интенсивности излучения в пятне засветки и уменьшает энергетические потери. В результате почти вся энергия лазерного излучения используется для создания освещенности в пятне засветки при высокой равномерности распределения освещенности по площади пятна и наличии ее спекл-структурированности.

Таким образом, указанная совокупность признаков способа решает поставленную техническую задачу.

В ряде случаев, особенно в офтальмологии, кроме высокой равномерности распределения интенсивности излучения в пятне засветки и его спекл-структурированности, необходимы сравнительно большие линейные размеры пятна засветки. На решение этой задачи направлен частный случай заявляемого способа, отличающийся тем, что в процессе канализации излучения дополнительно преобразовывают его индикатрису, например, с использованием преломляющего оптического элемента.

Другой частный случай реализации заявляемого способа связан с использованием лазера, имеющего тело свечения в форме вытянутого прямоугольника, что характерно, например, для полупроводниковых лазеров. В этом случае перед диффузным рассеянием излучения осуществляют преобразование индикатрисы тела свечения лазера в форму с поперечным сечением более высокого порядка симметрии, например в квадрат. Это облегчает обеспечение равномерного распределения интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного луча и, следовательно, в пятне засветки.

В третьем частном случае реализации заявляемого способа канализированное в заданном направлении излучение дополнительно подвергают одному или нескольким последовательным диффузным рассеяниям путем его пропускания через один или несколько установленных последовательно диффузоров. Это дополнительно повышает уровень равномерности распределения интенсивности излучения.

Сущность предлагаемой группы изобретений поясняется фиг. 1-4.

На фиг.1 приведена схема реализации заявляемого способа.

На фиг.2 - схема реализации первого частного случая заявляемого способа.

Фиг. 3 иллюстрирует частный случай реализации способа с использованием полупроводникового лазера.

На фиг. 4 показан пример устройства, реализующего заявляемый способ - офтальмологический лазерный спекл-стимулятор.

Заявляемый способ реализуется следующим образом (фиг.1).

Луч лазера 1 пропускают через диффузно пропускающий элемент 2, выполненный, например, в виде стекла с матированной поверхностью. При этом лазерное излучение диффузно рассеивается на микронеровностях матированной поверхности стекла 2, сохраняя при этом степень когерентности, достаточную для образования больших по размеру и контрастных спеклов. В результате рассеяния излучения на стекле 2 исходная остронаправленная индикатриса излучения тела свечения лазера 1 "размывается", следствием чего является увеличение равномерности распределения излучения в поперечном сечении луча. Прошедшее через стекло 2 рассеянное излучение собирают отражателем 3 с конической или иной формы простой поверхностью (на фиг.1 показана коническая поверхность). На внутренние стенки отражателя 3 нанесен слой матового отражающего покрытия 4. В результате отраженное от покрытия 4 рассеянное лазерное излучение канализируется в направлении раскрыва отражателя 3 с одновременным дополнительным диффузным рассеянием. Благодаря этим мерам возрастает интенсивность краевой зоны потока излучения, чем достигается увеличение равномерности распределения излучения в канализированном осветительном луче. При этом микронеровности отражающего покрытия 4 обеспечивают диффузное отражение, сохраняя спекл-структурированность излучения.

Реализация первого частного случая заявляемого способа отличается от рассмотренной выше только тем, что перед собиранием отражателем 3 прошедшего через стекло 2 рассеянного излучения его индикатрису изменяют, пропуская рассеянное излучение через рассеивающий преломляющий оптический элемент 5 (фиг. 2), например через отрицательную линзу. При этом все составляющие диффузно рассеянного излучения получают дополнительное отклонение в сторону от направления главной оси излучения тела свечения лазера 1. В результате телесный угол индикатрисы излучения тела свечения лазера 1 увеличивается, следствием чего является увеличение площади пятна засветки, имеющего равномерную освещенность спекл-структурированным излучением.

Второй частный случай реализации способа (фиг.3) подразумевает, что исходная форма индикатрисы лазера в плоскости поперечного сечения луча имеет форму вытянутого прямоугольника. В частности, индикатриса излучения полупроводниковых лазеров резко несимметрична относительно главной оси тела свечения лазера, т.е. имеет низкий порядок симметрии. Преобразование индикатрисы в форму с поперечным сечением более высокого порядка симметрии, например в квадрат, позволяет обеспечить условия для равномерного распределения интенсивности излучения в пятне засветки при полном использовании всей излученной лазером световой энергии.

В этом случае выходное излучение лазера 1 пропускают через связанный с выходом лазера 1 оптический преломляющий элемент, обеспечивающий установленное преобразование индикатрисы излучения тела свечения лазера. В качестве такого элемента может быть использован такой же диффузно пропускающий элемент, выполненный, например, в виде цилиндрической плосковыпуклой линзы, образующая которой ортогональна длинной стороне тела свечения лазера. При этом происходит преломление составляющих лазерного пучка таким образом, что индикатриса излучения приобретает форму с поперечным сечением, приближающимся к форме квадрата. Внешняя по отношению к телу свечения лазера поверхность линзы 2 матирована, в результате чего проходящий через линзу световой поток не только преломляется, но и претерпевает диффузное рассеяние. Далее процесс формирования спекл-структурированного излучения происходит так, как это было рассмотрено выше.

В третьем частном случае реализации заявляемого способа канализированное в заданном направлении спекл-структурированное излучение дополнительно подвергают одному или нескольким последовательным диффузным рассеяниям путем его пропускания через один или последовательно через несколько диффузоров. Это позволяет получить еще большую равномерность распределения интенсивности излучения в пятне засветки.

Вторым объектом в группе изобретений является устройство, реализующее заявляемый способ, а именно "Офтальмологический лазерный спекл-стимулятор".

Офтальмологические спекл-стимуляторы известны, выпускаются промышленностью и достаточно широко применяются в терапевтической практике. Большинство из известных спекл-стимуляторов имеют в своем составе гелий-неоновый лазер, излучение которого транслируется по оптоволоконному кабелю к специальной насадке, на которой фиксируется взор пациента [10]. Такие устройства имеют малоудовлетворительные технико-экономические, особенно массогабаритные, характеристики. Лучшими технико-экономическими показателями обладает известный офтальмологический спекл-стимулятор, использующий излучение полупроводникового лазера [9]. В этом спекл-стимуляторе реализован описанный выше способ-прототип. Спекл-стимулятор компактен, обеспечивает спекл-структурированное излучение с равномерным распределением интенсивности по площади пятна засветки. По достигаемому результату он близок заявляемому устройству и принят за его прототип.

Устройство-прототип содержит полупроводниковый лазер, диафрагму, оптически толстое молочное стекло, линзу Френеля и цветной светофильтр с матированной поверхностью. Диафрагма установлена вплотную к молочному стеклу и размещена между стеклом и выходным окном излучения лазера. Линза Френеля установлена вплотную к матированной поверхности светофильтра и размещена на расстоянии от молочного стекла, примерно в 5 раз превышающем диаметр диафрагмы.

Работа устройства-прототипа осуществляется следующим образом.

Генерируемое лазером излучение проходит через установленную у выходного окна лазера диафрагму. В результате из всего потока лазерного излучения, имеющего в поперечном сечении форму прямоугольника, вырезают центральную его часть, которая имеет симметрию более высокого порядка. Выделенная диафрагмой часть лазерного излучения далее проходит через оптически толстое молочное стекло. В толще материала стекла происходит объемное диффузное рассеяние излучения, а само молочное стекло становится вторичным источником излучения. При этом за счет происходящего в молочном стекле диффузного рассеяния исходного лазерного излучения отдельные составляющие пучки вторичного излучения приобретают разности фаз, приводящие к возникновению спекл-структуры излучения. Рассеянное излучение собирается линзой Френеля, играющей роль конденсора-коллектива, и далее поступает на цветной светофильтр, образующий вместе с линзой Френеля экран спекл-стимулятора. Максимум спектральной полосы пропускания светофильтра совпадает с частотой излучения лазера, что создает благоприятные условия для наблюдения удаленным наблюдателем возникающей на экране характерной пятнистой картины спекл-структурированного излучения.

Недостатком устройства-прототипа является неэффективное использование световой энергии лазера, что приводит к необходимости применения в его составе достаточно мощного и дорогостоящего полупроводникового лазера.

Сущность заявляемого офтальмологического лазерного спекл-стимулятора заключается в том, что он содержит лазер, связанный с его выходом пропускающий диффузный рассеиватель светового потока, отражатель, внутренняя поверхность которого выполнена в форме тела вращения, расширяющегося в сечении, и матированный пропускающий экран, при этом рассеиватель светового потока установлен в малом основании отражателя, пропускающий экран - в его большом основании, а внутренняя поверхность отражателя выполнена диффузно отражающей.

Благодаря предложенной совокупности признаков устройства исходное лазерное излучение с резко неравномерным распределением интенсивности в поперечном сечении лазерного луча подвергается последовательному троекратному диффузному рассеянию: сначала рассеивателем с матированной поверхностью, затем диффузно рассеивающим отражателем и, наконец, пропускающим экраном в виде матированного оптического элемента. Результатом такого преобразования является визуально наблюдаемое на пропускающем экране спекл-структурированное пятно засветки с равномерным распределением освещенности по всей площади пятна.

В частном случае реализации заявляемого устройства отражатель выполнен в форме усеченного конуса.

Заявляемый офтальмологический спекл-стимулятор содержит (фиг.4) полупроводниковый лазер 1, пропускающий диффузный рассеиватель 2, конический отражатель 3 с матовым отражающим покрытием 4 и диффузор 6. Пропускающий диффузный рассеиватель 2 может быть выполнен в виде матированного стекла или в виде матированной линзы-преобразователя индикатрисы лазерного излучения. При любой форме выполнения рассеивателя 2 он установлен в малом основании выполненного в виде усеченного конуса отражателя 3 перед выходным окном лазера 1. На внутренние стенки отражателя 3 нанесен слой матового отражающего покрытия 4. Диффузор 6 выполнен в виде матированного пропускающего экрана и установлен в большом основании отражателя 3.

Устройство работает в полном соответствии с приведенным выше описанием заявляемого способа.

Заявляемое устройство было изготовлено в виде макетов, реализующих способ во всех частных случаях его реализации.

В макетах использовался полупроводниковый лазер типа HL 6316G производства японской фирмы Хитачи. Индикатриса лазера характеризовалась углами расхождения излучения порядка 8 град. в вертикальной плоскости и порядка 30 град. - в горизонтальной плоскости.

Для преобразования формы индикатрисы к виду с более высоким порядком симметрии использовалась плоскоцилиндрическая линза из полиметилметакрилата марки СО - 95. Эквивалентный диаметр цилиндра линзы составлял 4,4 мм.

Матирование поверхности оптически неоднородного' элемента (стекла или плоскоцилиндрической линзы), а также поверхности пропускающего экрана производилось на пескоструйной установке порошком М 8.

Угол раскрыва конического отражателя составлял 40 град. в макете без использования оптического преломляющего элемента и 45 град. в макете с использованием оптического преломляющего элемента. Диаметр оптического преломляющего элемента составлял 29 мм. Диаметр пропускающего экрана составлял 60 мм.

Проведенные испытания макетов подтвердили работоспособность способа во всех частных случаях его реализации, а также работоспособность заявленного офтальмологического лазерного спекл-стимулятора.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1697041, кл. G 02 В 27/44.

2. Применение низкоэнергетического лазерного излучения для лечения пациентов с прогрессирующей близорукостью. Пособие для врачей. Московский НИИ глазных болезней им. Гельмгольца. Москва,1997, с. 9.

3. Авторское свидетельство СССР 1620974, кл. G 02 В 27/48.

4. Авторское свидетельство СССР 1640663, кл. G 02 В 27/30, 27/42.

5. Патент РФ 2003149, кл. G 02 В 27/48.

6. Патент РФ 2034322, кл. G 02 В 27/44, 27/48.

7. Заявка Германии 4218795, кл. G 02 В 27/30, 27/46.

8. Заявка WO 9602013, кл. G 02 В 27/09.

9. Свидетельство РФ на полезную модель 12777, кл. А 61 В 3/00 (прототип), 10.02.2000, бюл. 4.

10. Ежеквартальное информационно-справочное обозрение "ОФТАЛЬМИНФО", вып. 2, 3 квартал 1998 г. Научно-производственная фирма "ВИДА".

Способ формирования спекл-структурированного лазерного излучения заключается в диффузном рассеивании излучения лазера сначала, а затем канализации излучения вдоль его распространения путем диффузного отражения от поверхности, при этом рассеянное излучение в процессе канализации дополнительно пропускают через рассеивающий преломляющий элемент. Офтальмологический лазерный спекл-стимулятор содержит лазер, пропускающий диффузный рассеиватель светового потока, отражатель, внутренняя поверхность которого выполнена в форме тела вращения, расширяющегося в сечении, и матированный пропускающий экран, при этом рассеиватель светового потока установлен в малом основании отражателя, пропускающий экран - в его большом основании, а внутренняя поверхность отражателя выполнена диффузно отражающей. Технический результат - обеспечение высокой экономичности процесса формирования спекл-структурированного лазерного излучения с равномерным распределением его интенсивности в пятне его засветки. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ формирования спекл-структурированното лазерного излучения, заключающийся в том, что излучение лазера сначала диффузно рассеивают, затем канализируют путем диффузного отражения от поверхности, охватывающей излучение вдоль его распространения, при этом рассеянное излучение в процессе канализации дополнительно пропускают через рассеивающий преломляющий элемент. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед диффузным рассеянием излучения осуществляют преобразование индикатрисы тела свечения лазера в форму с поперечным сечением более высокого порядка симметрии, например, в квадрат. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что канализированное в заданном направлении излучение дополнительно подвергают одному или нескольким последовательным диффузным рассеяниям путем его пропускания через диффузор (диффузоры). 4. Офтальмологический лазерный спекл-стимулятор, содержащий лазер, пропускающий диффузный рассеиватель светового потока, отражатель, внутренняя поверхность которого выполнена в форме тела вращения, расширяющегося в сечении, и матированный пропускающий экран, при этом рассеиватель светового потока установлен в малом основании отражателя, пропускающий экран - в его большом основании, а внутренняя поверхность отражателя выполнена диффузно отражающей. 5. Офтальмологический лазерный спекл-стимулятор по п.4, отличающийся тем, что отражатель выполнен в форме усеченного конуса.